(a) Immagine elettronica di scansione di uno dei dispositivi a punti quantici fabbricati dalla fonderia. Si possono formare quattro punti quantici nel silicio (grigio scuro), tramite quattro fili di comando indipendenti (grigio chiaro). Questi fili sono le manopole di controllo che abilitano le cosiddette porte quantistiche. (b) Schema del dispositivo array bidimensionale. Ogni Qubit (cerchio rosso) può interagire con il suo vicino più prossimo nella rete bidimensionale, ed eludere un Qubit che non funziona per un motivo o per l'altro. Questa configurazione è ciò che significa "seconda dimensione". Credito:Università di Copenaghen
Computer quantistico:uno degli ostacoli al progresso nella ricerca di un computer quantistico funzionante è stato il fatto che i dispositivi funzionanti che entrano in un computer quantistico ed eseguono i calcoli effettivi, i qubit, sono stati finora realizzati dalle università e in piccoli numeri. Ma negli ultimi anni, una collaborazione paneuropea, in collaborazione con il leader francese della microelettronica CEA-Leti, ha esplorato i transistor di tutti i giorni, presenti in miliardi in tutti i nostri telefoni cellulari, per il loro utilizzo come qubit. L'azienda francese Leti realizza wafer giganti pieni di dispositivi, e, dopo aver misurato, ricercatori dell'Istituto Niels Bohr, Università di Copenaghen, hanno trovato questi dispositivi prodotti industrialmente adatti come piattaforma qubit in grado di passare alla seconda dimensione, un passo significativo per un computer quantistico funzionante. Il risultato è ora pubblicato in Comunicazioni sulla natura .
I punti quantici in un array bidimensionale sono un balzo in avanti
Una delle caratteristiche chiave dei dispositivi è l'array bidimensionale di punti quantici. O più precisamente, un reticolo a due a due di punti quantici. "Ciò che abbiamo dimostrato è che possiamo realizzare il controllo di un singolo elettrone in ognuno di questi punti quantici. Questo è molto importante per lo sviluppo di un qubit, perché uno dei modi possibili per creare qubit è usare lo spin di un singolo elettrone. Quindi raggiungere questo obiettivo di controllare i singoli elettroni e farlo in una matrice 2-D di punti quantici è stato molto importante per noi", dice Fabio Ansaloni, ex dottorato di ricerca alunno, ora postdoc al centro per Quantum Devices, NBI.
L'uso degli spin degli elettroni si è dimostrato vantaggioso per l'implementazione dei qubit. Infatti, la loro natura "tranquilla" fa sì che gli spin interagiscano debolmente con l'ambiente rumoroso, un requisito importante per ottenere qubit altamente performanti.
È stato dimostrato che l'estensione dei processori dei computer quantistici alla seconda dimensione è essenziale per un'implementazione più efficiente delle routine di correzione degli errori quantistici. La correzione degli errori quantistici consentirà ai futuri computer quantistici di essere tolleranti ai guasti nei confronti dei singoli guasti dei qubit durante i calcoli.
L'importanza della produzione su scala industriale
Assistant Professor presso il Center for Quantum Devices, NBI, Anasua Chatterjee aggiunge:"L'idea originale era di creare una serie di qubit di spin, scendere ai singoli elettroni e diventare in grado di controllarli e spostarli. In questo senso è davvero fantastico che Leti sia stata in grado di consegnare i campioni che abbiamo usato, che a sua volta ci ha permesso di raggiungere questo risultato. Molto merito va al consorzio del progetto paneuropeo, e generosi finanziamenti dell'UE, aiutandoci a passare lentamente dal livello di un singolo punto quantico con un singolo elettrone all'avere due elettroni, e ora passiamo agli array bidimensionali. Gli array bidimensionali sono un obiettivo davvero grande, perché sta cominciando a sembrare qualcosa di cui hai assolutamente bisogno per costruire un computer quantistico. Così Leti è stato coinvolto in una serie di progetti nel corso degli anni, che tutti hanno contribuito a questo risultato".
Il merito di essere arrivati così lontano appartiene a molti progetti in tutta Europa
Lo sviluppo è stato graduale. Nel 2015, i ricercatori di Grenoble sono riusciti a realizzare il primo qubit di spin, ma questo era basato su buchi, non elettroni. Allora, le prestazioni dei dispositivi realizzati nel "regime del foro" non erano ottimali, e la tecnologia è avanzata in modo che i dispositivi ora all'NBI possano avere array bidimensionali nel regime di un singolo elettrone. Il progresso è triplice, spiegano i ricercatori:"In primo luogo, produrre i dispositivi in una fonderia industriale è una necessità. La scalabilità di un moderno, il processo industriale è essenziale quando iniziamo a realizzare array più grandi, ad esempio per piccoli simulatori quantistici. Secondo, quando si realizza un computer quantistico, hai bisogno di un array in due dimensioni, e hai bisogno di un modo per connettere il mondo esterno a ciascun qubit. Se hai 4-5 connessioni per ogni qubit, ti ritroverai rapidamente con un numero irrealistico di fili che escono dalla configurazione a bassa temperatura. Ma quello che siamo riusciti a dimostrare è che possiamo avere una porta per elettrone, e puoi leggere e controllare con lo stesso cancello. E infine, utilizzando questi strumenti siamo stati in grado di spostare e scambiare singoli elettroni in modo controllato attorno all'array, una sfida in sé".
Gli array bidimensionali possono controllare gli errori
Il controllo degli errori che si verificano nei dispositivi è un capitolo a sé. I computer che usiamo oggi producono molti errori, ma vengono corretti attraverso quello che viene chiamato il codice di ripetizione. In un computer convenzionale, puoi avere informazioni sia in 0 che in 1. Per essere sicuro che il risultato di un calcolo sia corretto, il computer ripete il calcolo e se un transistor fa un errore, è corretto a maggioranza semplice. Se la maggior parte dei calcoli eseguiti in altri transistor punta a 1 e non a 0, quindi 1 viene scelto come risultato. Questo non è possibile in un computer quantistico poiché non è possibile eseguire una copia esatta di un qubit, quindi la correzione degli errori quantistici funziona in un altro modo:i qubit fisici all'avanguardia non hanno ancora un basso tasso di errore, ma se ne vengono combinati abbastanza nell'array 2-D, possono controllarsi a vicenda, per così dire. Questo è un altro vantaggio dell'array 2-D ora realizzato.
Il prossimo passo da questo traguardo
Il risultato realizzato al Niels Bohr Institute mostra che ora è possibile controllare singoli elettroni, ed eseguire l'esperimento in assenza di campo magnetico. Quindi il prossimo passo sarà cercare gli spin, le firme di spin, in presenza di un campo magnetico. Questo sarà essenziale per implementare porte singole e due qubit tra i singoli qubit nell'array. La teoria ha dimostrato che una manciata di porte singole e due qubit, chiamato un insieme completo di porte quantistiche, sono sufficienti per consentire il calcolo quantistico universale.
